鋼中非金屬夾雜物的簡介
2018-04-19 瀏覽量：3094
背景：
鋼中非金屬夾雜物是指鋼中不具有金屬性質的氧化物、硫化物、硅酸鹽和氮化物。它們是鋼在冶煉過程中由于脫氧劑的加入形成氧化物、硅酸鹽和鋼在凝固過程中由于某些元素(如硫、氮) 溶解度下降而形成的硫化物、氮化物，這些夾雜物來不及排出而留在鋼中。外來夾雜物是爐渣或耐火材料或其它夾雜在鋼液凝固過程中未及時浮出而殘留于鋼中。它們常作為衡量鋼質量的重要指標，其類型、組成、形態、含量、尺寸、分布等各種狀態因素都對鋼性能產生影響。
隨著近代精煉技術的發展，鋼的“潔凈度”大大提高，夾雜物在鋼中的含量雖然極微，但對鋼的性能卻具有不可忽視的影響，非金屬夾雜物在鋼中破壞了金屬基體的連續性，致使材料的塑性、韌性降低和疲勞性能降低，使鋼的冷熱加工性能乃至某些物理性能變壞。鋼中夾雜物對鋼性能的影響主要在對鋼韌性的危害，而且危害程度隨鋼的強度增高而增加。然而其中夾雜物的數量及分布形態是影響鋼材質量的重要指標之一。
摘要：本文內容涉及非金屬夾雜物的產生原因、危害、分類，影響鋼中非金屬夾雜物的因素，檢測方法及流程等方面
關鍵詞：原因、危害、類型、意義。
1.非金屬夾雜物的產生原因
造渣材料：堿性煉鋼常用的造渣材料是石灰和螢石。石灰，主要成分是CaO，其含量應不小于85%，SiO2含量應不大于2%，硫含量應小于0.15%。石灰易吸收水分而變成粉末，所以，造渣時應使用剛燒好的、燒透的石灰，或對石灰進行預熱后再使用，這樣能防止石灰給鋼液帶入過多的水分，否則就會使鋼液氫含量增加，影響鋼的質量，嚴重時會使鋼報廢。螢石，主要成分是CaF2 ，含量為85%-95% ，SiO2含量約為6%。加入螢石能夠幫助化渣，是良好的助熔劑，它可以在短時間內改善爐渣的流動性。石灰中若摻雜硫化物礦石，必須將這種螢石排除掉，否則會降低爐渣的脫硫能力，易造成硫化物（MnS）夾雜。
鐵合金：在冶煉時，如果使用烘烤時間短、烘烤溫度低、甚至根本未經烘烤的鐵合金材料，勢必將會增加外來夾雜物和氣體帶入鋼液中的機會。經過烘烤的鐵合金上到爐臺，在寒冷的冬季，露天擺放的鐵合金會很快涼下來，將這些涼的鐵合金加入到鋼包內，不可能很快融化并且在鋼液中分布均勻，它們得經過一段時間的熔化和攪拌的過程。對于精煉爐來說，鋼水在真空處理結束后，這時還要補加一些鐵合金調整鋼液中元素的含量，如果沒有在工藝規定的時間內出鋼，勢必將會影響真空除氣、去雜質的效果，同時又增加了外來夾雜物進入鋼液中的機會，影響鋼水質量。
精煉爐真空操作：精煉爐冶煉的大都是重點鋼種，精煉爐的真空操作起了畫龍點睛之功效。精煉爐是把一般煉鋼爐中要完成的部分精煉任務，移到專門的容器中進行。鋼水經真空處理是為了脫氫、脫氧和排除非金屬夾雜物。精煉爐冶煉的鋼水是由電弧爐提供的初煉鋼水，有些初煉鋼水在初煉過程中沒有一定的脫碳量，脫碳速度也達不到要求，這樣就造成鋼液去氣速度小于吸氣速度，不利于排出鋼中氣體和使夾雜物充分上浮。把這種劣質鋼水兌入精煉爐，全都依靠精煉真空處理處夾雜物，不可能達到最佳的效果。真空脫氧過程中鋼水、熔渣激烈沸騰使鋼包內襯的耐火材料受到強烈沖刷，耐火材料的熔融混入產生的夾雜物如果不能充分上浮，便進入鋼液，因此對精煉包內襯的耐火材料應該進行嚴格的控制。
氬氣：氬氣是一種惰性氣體，在鋼液中不發生化學反應和變化。煉鋼時，將氬氣通過精煉包底部的多孔透氣磚不斷吹入熔池中，氬氣形成大量的小氣泡，對于鋼水中的有害氣體如氫、氧、氮來說，相當于一個“真空室”，這個小“真空室”內其它氣體的分壓幾乎等于零。于是溶解在鋼液中的氣體不斷地向氬氣泡中擴散，氫和氮在氬氣泡中的分壓力隨著氣泡上浮而增加，氣泡在鋼液中上浮時受熱膨脹，因此氫和氮的分壓力仍能保持較低的水平，所以繼續吸收氫和氮，最后隨氬氣泡上浮溢出鋼液而被去除。氬氣上浮時引起鋼液攪動，提供了夾雜顆粒碰撞的機會，有利于夾雜的排除。可見，煉鋼過程中，如果未調整好合適的氣體參數（氬氣壓力、流量、氣泡大小等），勢必影響精煉效果，增加產生非金屬夾雜物的趨勢。
2．非金屬夾雜物的危害
不同形態的夾雜物混雜在金屬內部，破壞了金屬的連續性和完整性。夾雜物同金屬之間的結合情況不同、彈性和塑性的不同以及熱膨脹系數的差異，常使金屬材料的塑性、韌性、強度、疲勞極限和耐蝕性等受到顯著影響，同時也常常影響加工零件的表面質量和加工工具的壽命。非金屬夾雜分塑性夾雜和脆性夾雜。塑性夾雜如MnS等隨金屬變形而延伸軋薄。另一些夾雜物軟化點及硬度很高，熱加工中不變形，不破碎，保持原來形狀， 如TIN、稀土硫氧化物等。銅中氧化夾雜Cu2O常分布在晶界上，Cu2O是一種硬脆相，會降低金屬的熱塑性，還影響銅的導電能力。
3．非金屬夾雜物的類型：
3.1.1 因為不同物質的膨脹率是不同的，正是由于這個造成了形態上的差異。
參考GB/T 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法可分為以下幾類：
1、A類（硫化物類）：具有高的延展性，有較寬范圍形態比（長度/寬度）的單個灰色夾雜物，一般端部呈圓角；
2、B類（氧化鋁類）：大多數沒有形變，帶角的，形態比小（一般<3），黑色或帶藍色的顆粒，沿軋制方向排成一行（至少有三個顆粒）；
3、C類（硅酸鹽類）：具有高的延展性，有較寬范圍形態比（一般≥3）的單個呈現黑色或深灰色夾雜物，一般端部呈銳角；
4、D類（球狀氧化物類）：不變形，帶角或圓形的，形態比小（一般<3）黑色或帶藍色的，無規則分布的顆粒；
5、DS類（單顆粒球狀類）：圓形或近似圓形，直徑≥13μm的單顆粒夾雜物。
3.1.2夾雜物形態圖：
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| 硫化物 | 氧化鋁 |
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| 硅酸鹽 | 球狀氧化物 |
4．影響鋼中非金屬夾雜物的因素
影響鋼中非金屬夾雜物的因素主要有：冶煉過程工藝操作控制、原鋪材料的質量兩大部分。
（1）非金屬夾雜物冶煉工藝操作控制
在鋼的冶煉工藝操作控制過程中，脫碳吹氧過量、大量的補加合金、沸騰和還原時間不充分、鋼液攪拌強度不均勻、溫度過高、鋼渣成分控制不好、大量的升溫、大流量攪拌、過高速喂線等操作都會增加鋼液中非金屬夾雜物。非金屬夾雜物中的硫化物、氧化物、氮化物大多在冶煉過程中產生。
（2）非金屬夾雜物原鋪材料的質量
對于使用的原鋪材料，其中合金和造雜料本身的品味和耐火材料的質量、鋼包準備的程度（溫度、清潔度等）都會對鋼液中的非金屬夾雜物造成影響。非金屬夾雜物中的大部分硅酸鹽在冶煉過程中產生，少部分由原鋪材料代入。
5．鋼中非金屬夾雜物的檢測流程：（參考GB/T13298-2015 金屬顯微組織檢驗方法）
夾雜物的形態在很大程度上取決于壓縮變形程度，因此，只有在經過相似程度變形的試樣皮制備的截面上才可能進行測量結果的比較。用于測量夾雜物含量的試樣的拋光面面積應約為200mm2（20mm×10mm),并平行于鋼材縱軸，位于鋼材表面到中心的中間的位置。
5.1試樣的切取和制備:
5.1.1 試樣應在拉伸試樣端頭切取，亦可直接從單鑄試塊上切取
5.1.2 實物檢驗試樣可自取鑄件本體上的附鑄件實物
5.1.3 試樣拋光時應避免夾雜物剝落，變形或拋光面被沾污
5.2 檢驗方法：
5.2.1 試樣拋光后用光學顯微鏡檢驗，夾雜物類型檢驗可放大至能分辨的倍率，定量檢驗放大100倍。
5.2.2 檢驗時應首先通觀整個受檢面，然后按最惡劣視場。對照評級圖，分別評定級別，評定時允許評半級。
5.2.3 當Ⅰ型與Ⅲ型夾雜物同時存在時，均作為Ⅲ型夾雜物評定。
5.2.4 外來夾雜物應在檢驗報告中以文字說明。
5.3 檢驗規則
5.3.1 夾雜物檢驗每溶煉爐次取一個試樣
5.3.2 當試樣不合格時，需進行加倍復試，復試結果仍有一個試樣不合格時，則視該爐鑄件為不合格。
6. 夾雜物測試的意義：
鋼中非金屬夾雜物含量雖然微小，但對鋼的性能影響極大，研究和檢測鋼中非金屬夾雜物成為鋼材生產和使用者的重要項目之一，正確認識夾雜物的來源、成分、形態、危害原理、分布和顯微特性，對于控制或減少鋼中夾雜物含量，提高鋼材質量具有重要意義。
參考文獻：
1.鋼中非金屬夾雜物[M]. 冶金工業出版社, 2011.
2.非金屬夾雜物與鋼的韌性研究[J]. 材料科學與工程學報, 2000,
3.硬線鋼中非金屬夾雜物控制[J]金屬制品,2005,
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